介紹一些物理知識
■ 吳國禎（北京清華大學物理系台籍教授）
有學生（非理科專業）問我以下問題，我覺得很好，料也是別的同學會有的問題，其中一些還關乎「哲學」的方面，或許大家可以參考。為了簡要點明概念，我就用不很嚴格的語言來說明。
問：何謂「熱」？
所謂的「熱」，就是指的粒子運動速度的體現。我們為何感到一杯開水，比冰水熱？就是，因為開水中的粒子（水分子）運動速度比我們身體的，快很多，而冰水的水分子，又比我們身體的慢很多。有了運動，就有了能量。這個能量是會傳遞的，運動快的粒子和運動慢的粒子相接觸（碰撞），運動快的粒子就變慢些，而運動慢的粒子就會快些。這樣，我們就感覺到「熱」的傳遞了。所以，「熱」是一個「表觀」的現象，它的本質是粒子的運動能。如果粒子不運動了，靜止了。這時，「熱」的內涵就是最低了，也就是溫度的最低點。
問：這樣說，所謂絕低零度，就是一切運動停止時？
是的。但是，情況比我們以為的複雜些，如果粒子（如電子、質子等）被局限在一個小的空間的話，那它們是不能停止運動的。在絕低零度時，它們還是具有運動著的能量。
這也和辯證唯物的哲學觀相一致──物質是運動著的，沒有不運動的物質。現代物理學對宇宙／世界的理解，一再揭示唯物辯證的思想──物質是第一性的。所以，具有現代物理學基礎的人，他不難認同唯物辯證的思想。
問：哲學大師馮友蘭說過：「物理學所說的物質，是自然界中的一種結構。哲學所說的物質，是獨立於人的意識之外的客觀實在。」
我以為兩者其實是一回事的。我們的物質世界，也是：獨立於人的意識之外的客觀實在和存在。
問：物質是時間與空間的交叉，可以這樣說？
這樣說，是有語病的（或不合適的，或不對的），以為有獨立於物質的時間和空間。物質是第一性的。時間、空間應說是物質的屬性。物質的存在不能沒有時間、空間。但是，不能沒有了物質，而仍然存在的時間和空間。這個思想，其實是愛因斯坦相對論的一個核心的思想。過去，從古代到牛頓到愛因斯坦之前，都認為，時間和空間是獨立於物質，而（先）存在的。物質只是擺在某個時間和空間裡。現在，物理學的實驗證實這樣的想法是不對的。我們的世界／宇宙，不是這樣的。
問：到底是說，牛頓從蘋果落地，而後知曉了萬有引力的存在，還是說，牛頓因為瞭解到了萬有引力，才解釋了為何蘋果會落地？
關於牛頓為何會想到萬有引力，是因為他見到了蘋果落地，從而受到啟發，還是……？牛頓和蘋果的這個故事可謂人盡皆知。但是，有證據說，這不是一個史實。這個不是很重要。這裡的所問，其實牽涉到一個很基本的思維方式──是說：因為有了萬有引力，然後蘋果才會落地，還是說：因為蘋果落了地，才讓我們認識到萬有引力的存在。這兩個命題有何差別呢？前者說的是，因為有了萬有引力的理論，所以會有蘋果落地這樣的現象，而後者說的是，因為先有蘋果落地這個實驗的觀察，才讓我們有了萬有引力這樣的理論。前者的思維是，先有理論的建立，後有實驗的觀察，而後者的思維是，先有實驗的觀察，後有理論的建立。
就物理學言，我們必須堅持，實驗觀察的第一性，而理論的思維則為第二性。理論永遠必須接受實驗的檢驗，當實驗的觀察和理論不一致時，我們就得想到理論的可能缺陷。所謂：實踐是檢驗真理的唯一標準。
其實，蘋果的落地，固然可以用萬有引力的理論來解釋，還可以用愛因斯坦的時空彎曲的理論來解釋，就是所謂的廣義相對論。它的核心是說，物質的存在，會引致周遭時空的變化。所以說，蘋果落地這個觀察不必然導致萬有引力這個理論。
問：歐洲的撞擊器，找所謂「上帝粒子」，撞擊開後，產生的高溫會是空前的？有人說是大霹靂的樣子，杞人憂天？時間極短，範圍極小，不可能一個實驗就把地球毀了罷？
不是的。這些都是媒體聳人聽聞的不實之言。其實，為產生空前的高溫，以瞭解宇宙產生初期的情況，固然是目的之一，更重要的是在尋找所謂的Higgs粒子。在我們日常的能量範圍，日常的溫度情況下，電磁的現象和所謂的「弱作用」（和原子核的蛻變有關的作用）是兩回事的，然而，按照目前的理論，我們已知道在較高能量的範圍，電磁的現象和所謂的「弱作用」會是一回事的。按照這個理論，還預言了一些粒子的存在，而這些粒子在過去的20年內都從實驗上，先後找到了。可見這個統一電磁和「弱作用」現象的理論是非常成功的，讓我們瞭解了電磁的現象和「弱作用」的本質。這個過程和歷史上，人們曾認為，電和磁是兩個不同的現象，後來，知道了原來電和磁是同一種本質的過程，很是相似。
話說回來，按照這個理論，還預言了一個所謂的Higgs粒子，非常重要的是，Higgs粒子和物質為何會具有質量，或說是質量的來源這個問題有關。（物質和質量是不同的概念：如光是一種物質，但它並不具有〔靜止的〕質量。）就是說，如果我們能找到這個Higgs 粒子，我們也就清楚了「質量」的來源，或說是，就瞭解了物質為何會具有質量，這個很基本，但是非常重要的問題了。就是為了這個緣由，歐洲各國（美國等）不惜巨額投資，建了加速器，來瞭解這個問題──來尋找Higgs粒子。但是，這個加速器，能否找到Higgs 粒子，目前人們也不敢保證。能找得到，那就是一個劃時代的大事──人們認識我們這個世界的一件劃時代的大事！但是，也可能找不到。找不到，不等於就是否定了Higgs粒子的存在，或說是否定了那個統一電磁和「弱作用」的理論。果如此，事情就吊在半空中，不能肯定，也不能否定了……。
物理是很有趣的，它既是實驗的科學，還牽涉到縝密的推理和思維，乃至想像，又具高度的，關於我們對世界認識的總結。對於它的理解似乎也沒有止境的。我有時讀讀過去學習過的物理領域，往往思而有得。這就表示，我過去沒有那樣（深入）理解它的意義。因此，有時一般的物理書，讓同學們不是那麼容易明白，很大原因是寫物理書的人，也未必很懂得所寫的內容。這樣的書，要讓讀者讀懂，自然也是不可能的。所以，我常和學生說，學習物理（書）不懂，先不要怪自己（腦子不好），很大的原因是，老師或書沒把事情說清楚。我以為真正懂物理的話，總能用最簡單的語言，把概念說清楚的，而不是從數學的公式到公式，這樣的過程。
如果說，哪個人最懂物理？我首推費曼（R. Feynman）。他的書值得讀。費曼去世後，他的學生出版過他生前的講課筆記，有一本是他講的關於引力的課題。該書從頭到尾，充滿了豐富的物理思維、邏輯，但是，書的結尾的結論是，他的這些想法都行不通。我覺得他是真正懂物理的人。前幾年，他的女兒，把他生前給朋友寫的信出版了。這書台灣應該有的，大家可以看看，他確實是一位「實實在在」的人。他生前就很有名氣了，1965年得了諾貝爾獎。但他確實是沒有世俗的庸俗，他是一個真正的「科學家」。在東方的社會，大約很難找到像他那樣的（自然科學）學者。